ANALISIS PERILAKU DIFUSI DAN RAPAT ARUS SEL SURYA MULTIJUNCTION GOLONGAN III SUSUNAN SEL

  Tesis – TF14251 510 ANALISIS PER ERILAKU DIFUSI DAN RAPAT AT ARUS MULTIJUNCTION SEMIKOND

SEL SURYA M NDUKTOR

  GOLONGAN I N III-V TERHADAP KETEBALA LAN SUSUNAN SEL SEL

  Ayu Kusuma Wardha dhani NRP. 2414201008 Dosen Pembimbing ng : Dr.rer.nat. Ir. Aulia lia Nasution M,Sc.

  NIP: 19671117 1997 9702 1 001 Gunawan Nugroho S o ST. MT. PhD NIP: 19771127 2002 0212 1 002 PROGRAM STUDI MA MAGISTER JURUSAN TEKNIK FI FISIKA FAKULTAS TEKNOLO LOGI INDUSTRI

  INSTITUT TEKNOLOG OGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2016

  Thesis - TF142510

ANALYSIS OF DI DIFFUSION AND CURRENT D DENSITY

BEHAVIOR IN M MULTIJUNCTION SEMICOND NDUCTOR

III-V SOLAR CELL LLS TO CELL’S THICKNESS

  AYU KUSUMA WARDHANI NI NRP. 2414201008 SUPERVISOR Dr.rer.nat. Ir. Aulia MTN TN. M,Sc.

  NIP: 19671117 199702 1 0 1 001 Gunawan Nugroho ST. MT MT. PhD NIP: 19771127 200212 1 0 1 002 MASTER PROGRAM DEPARTMENT OF ENGINE NEERING PHYSICS

  INDUSTRY INSTRUMENTA TATION ENGINEERING FACULTY OF INDUSTRIAL AL TECHNOLOGY

  INSTITUT TEKNOLOGI SEP SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2016

  

(Halaman ini sengaja dikosongkan)

  

Analisis Perilaku Difusi dan Rapat Arus Sel Surya Multijunction

Semikonduktor Golongan III-V Terhadap Ketebalan Susunan Sel

  Nama Mahasiswa : Ayu Kusuma Wardhani NRP : 2414201008 Pembimbing : Dr.rer.nat. Ir. Aulia Nasution M,Sc.

  Gunawan Nugroho ST. MT. PhD

  

ABSTRAK

  Sel surya adalah suatu piranti yang dapat menyerap radiasi matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik. Di dalam penelitian ini, bahan semikonduktor yang digunakan adalah compound crystal III-V dengan metode multijunction P-N. Konfigurasi yang diterapkan terdiri dari 3 macam lapisan, yaitu double junction (AlAs-InGaP), triple junction (AlAs-InGaP-GaSb) dan multi junction (AlAs-InGaP- GaSb-InAs). Pada penelitian ini, parameter yang dibuat bervariasi adalah bandgap sel surya dan ketebalan dari sel tersebut. Berdasarkan konfigurasi tersebut diatas, dilakukan perhitungan analitis untuk mengetahui nilai rapat arus yang mempengaruhi besar efisiensi sel surya. Hasil perhitungan tersebut dibandingkan dengan perhitungan berdasarkan teori. Dari penelitian ini diketahui tebal sel surya dapat diprediksi dengan perhitungan analitis dengan tebal maksimum diperoleh dari lebar deplesi dan jarak difusi pembawa muatan minoritas sedangkan tebal minimum menggunakan medan listrik. Seharusnya dalam perhitungan digunakan pendekatan melalui nilai absorbansi. Semakin tinggi doping maka tebal semakin turun. Nilai V

  OC

  dan I juga dipengaruhi oleh doping, semakin tinggi doping nilai I akan turun dan

  SC SC

  nilai V OC akan naik. Nilai efisiensi maksimal didapatkan dari sel surya multijunction

  

compound crystal AlAs-InGaP-GaSb-InAs. Hal tersebut dikarenakan, semakin lebar

  rentang panjang gelombang cahaya matahari yang diserap maka makin besar efisiensi yang dihasilkan. Selain itu, dari pengaruh ketebalan didapatkan kesimpulan bahwa efisiensi tertinggi didapatkan dari ketebalan sel 40µm.

  

Keyword : perilaku difusi dan rapat arus pada ketebalan sel, sel surya mutijunction,

  semikonduktor compound crystal III-V

  

(Halaman ini sengaja dikosongkan)

  

Analysis of Diffusion and Current Density Behavior in

Multijunction Semiconductor III-V Solar Cells to Cell’s Thickness

  Student’s Name : Ayu Kusuma Wardhani NRP : 2414201008 Department : Engineering Physics, FTI - ITS Supervisor : Dr.rer.nat. Ir. Aulia Nasution M,Sc.

  Gunawan Nugroho ST. MT. PhD

  

ABSTRACT

  Solar cell is a device that can absorb solar radiation and convert it into electricity. In this study, the materials used are multi junction semiconductors III-V compound crystal heterojunction. The constant variable in this solar cells design are length and width of each layer in P-N cells, while the variety of this design is material’s bandgap. There are 3 configurations of solar cells that produced in this project: double junction solar cells (AlAs-InGaP), triple junction solar cells (AlAs- InGaP-GaSb) and multi junction solar cells (AlAs-InGaP-GaSb-InAs). In this research, the variation parameters are solar cell’s bandgap and it thickness. Based on the above configuration, performed analytical calculations to determine the value of the current density which affects the efficiency of solar cells. The results of these calculations compared to calculations based on theory. From this research note thick solar cells can be predicted by analytical calculations obtained with maximum thickness of the width of depletion and diffusion distance of minority carriers whereas the minimum thickness using an electric field. Supposed to be used in the calculation of the approach through absorbance values. The higher the doping, the thicker the more down. V and I value is also influenced by doping, doping the

OC SC

  higher the I values going down and V going up. Values obtained from the

SC OC

  maximum efficiency multijunction solar cells compound crystal pedestal-InGaP- GaSb-InAs. That is because, the wider the range of wavelengths of sunlight that is absorbed, the greater the efficiencies generated. In addition, the influence of the thickness of it was concluded that the highest efficiency is obtained from a cell thickness of 40µm. Keywords: compound crystal semiconductor III-V, diffusion and current density behavior to cell thickness, multijunction solar cells

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur kehadirat Allah SWT atas rahmat, hidayah, dan pertolongan-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis yang berjudul Analisis Perilaku Difusi

  

dan Rapat Arus Sel Surya Multijunction Semikonduktor Golongan III-V

Terhadap Ketebalan Susunan Sel. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada

  pihak yang telah membantu dalam penyelesaian laporan ini, diantaranya: 1. Bapak Dr.rer.nat. Ir. Aulia Nasution M,Sc dan Gunawan Nugroho ST. MT.

  PhD selaku dosen pembimbing atas kesabaran dan kebaikan dalam membimbing serta memberikan saran dan bantuan dalam pengerjaan tesis.

  2. Ibu Dr. –Ing. Doty D. Risanti, M.T., dan ibu Prof.Dr.Ir.Aulia S.A. MT. selaku tim penguji atas saran dan kritik yang membangun selama pengerjaan tesis ini. Serta bapak Dr.Bambang L.W. ST,MT selaku dosen wali penulis.

  3. Kepada Direktorat Jendral Perguruan Tinggi (Dikti) atas bantuan materi berupa beasiswa yang telah diberikan kepada penulis sehingga penulis mampu menempuh pendidikan jenjang Magister di ITS.

  4. Para dosen pengajar Program Studi S2 Jurusan Teknik Fisika. Terima kasih atas ilmu yang telah diberikan. Mbak Martha, terima kasih atas bantuannya.

  5. Suami, orang tua dan seluruh keluarga yang senantiasa memberikan dukungan material, spiritual dan moral kepada penulis.

  6. Teman–teman program studi S2 Rekayasa Instrumentasi Industri atas kebersamaannya dan segala macam bantuan yang diberikan tanpa pamrih.

  7. Segenap pihak yang berkontribusi dalam penyelesaian tesis ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Penulis menyadari pada laporan ini masih terdapat kekurangan, baik teori maupun teknis. Karena itu kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan demi laporan yang lebih baik. Penulis berharap tesis ini bermanfaat bagi semua pihak dan menambah wawasan bagi pembaca.

  Surabaya, Agustus 2016 Penulis

  DAFTAR ISI

  2.2 Sel Surya Multijunction ........................................................................... 6

  3.2 Melakukan Desain Sel Surya ................................................................ 16

  3.1 Menentukan Variabel Sel Surya ............................................................ 15

  BAB III METODOLOGI PENELITIAN .................................................................. 15

  2.4 Melakukan Perhitungan Sel Surya ........................................................ 13

  2.3.2 Konsentrasi hole dan elektron ................................................... 13

  2.3.1 Medan Listrik ............................................................................ 12

  2.3 Efisiensi Sel Surya ................................................................................ 11

  2.1 Sel Surya ................................................................................................. 5

  HALAMAN JUDUL....................................................................................................i LEMBAR PENGESAHAN.........................................................................................iii ABSTRAK ................................................................................................................... v ABSTRACT .............................................................................................................. vii DAFTAR ISI ................................................................................................................ x DAFTAR GAMBAR ................................................................................................. xii DAFTAR TABEL ..................................................................................................... xiv

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................. 5

  1.5 Manfaat Penelitian ................................................................................... 3

  1.4 Lingkup Penelitian .................................................................................. 2

  1.3 Tujuan Penelitian ..................................................................................... 2

  1.2 Rumusan Masalah ................................................................................... 2

  1.1 Latar Belakang ........................................................................................ 1

  BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................ 1

  3.3 Melakukan Perhitungan dan Analisis Sel Surya ................................... 17

  BAB IV HASIL DAN PEMBAHSAN ..................................................................... 19

  4.1 Karakteristik Diagram Pita Energi pada Sel Surya Multijunction ........ 19

  4.2 Analisis Optis dan Ketidaksesuaian Kristal Semikonduktor Yang Digunakan Dalam Rancangan Sel Surya .............................................. 25

  4.3 Analisis Transfer Elektron di Dalam Sel Berdasarkan Diagram Pita Energi ................................................................................................... 27

  4.4 Perbandingan Medan Listrik ................................................................ 31

  4.5 Perbandingan Densitas Pembawa Muatan ............................................ 35

  4.6 Perbandingan Rapat Arus Keluaran Sambungan Homojunction .......... 38

  4.7 Perbandingan Efisiensi Sel Surya ......................................................... 44

  4.8 Perbandingan Tebal Lapisan Semikonduktor ....................................... 46

  BAB V KESIMPULAN ............................................................................................. 53

  5.1 Kesimpulan ........................................................................................... 53

  5.2 Saran ..................................................................................................... 53 DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................................

  LAMPIRAN ...................................................................................................................

  A. Rapat arus sel surya multijunction ............................................................

  B. Penyederhanaan Persamaan Maxwell ......................................................

  C. Penyederhanaan Persamaan Difusi ...........................................................

  D. Perhitungan Distribusi Pembawa Muatan ................................................

  E. Perhitungan Tebal Lapisan Sambungan n-p .............................................

  F. Rapat Arus Keluaran ................................................................................ BIOGRAFI .....................................................................................................................

  

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Spektrum yang dapat diserap oleh absorber dari radiasi matahari

  dengan masing- masing panjang gelombang (Andreev, 2012) ............. 5

Gambar 2.2 Efisiensi maksimum sel surya berdasarkan SQ Limits (Philipps,

  Dimroth, & Bett, 2012) ......................................................................... 6

Gambar 2.3 Elektron-hole dalam keadaan generasi-rekombinasi (Philipps et al.,

  2012) ..................................................................................................... 7

Gambar 2.4 Keadaan elektron dan hole saat terdapat energi fermi (Philipps et al.,

  2012) ..................................................................................................... 7

Gambar 2.5 Energi fermi yang terdapat di pita valensi dan konduksi (Philipps et

  al., 2012) ............................................................................................... 8

Gambar 2.6 Range spektrum yang diserap masing-masing lapisan sel (Kurtz,

  Olson, Geisz, Wanlass, & Mcmahon, 2006) ....................................... 11

Gambar 4.1 Diagram pita energi rancangan sel surya untuk konsentrasi akseptor dan

  15 -3

  donor 10 cm . .................................................................................. 22

Gambar 4.2 Diagram pita energi rancangan sel surya untuk konsentrasi akseptor dan

  17 -3

  donor 10 cm . .................................................................................. 23

Gambar 4.3 Diagram pita energi rancangan sel surya untuk konsentrasi akseptor dan

  19 -3

  donor 10 cm . .................................................................................. 24

Gambar 4.4 Estimasi V dan pengaruh konsentrasi donor dan akseptor pada

  OC

  sambungan homojunction rancangan sel surya. .................................. 25

Gambar 4.5 Iradiasi cahaya matahari pada AM 0 dan AM 1.5 dan panjang

  gelombang cut-off dari semikonduktor yang digunakan. .................... 26

Gambar 4.6 Medan listrik terhadap lebar deplesi sel surya ...................................... 32Gambar 4.7 Distribusi medan listrik pada sambungan p-n homojunction. Daerah di

  bawah kurva merupakan V bi . .............................................................. 33

Gambar 4.8 Perbandingan medan listrik maksimum yang dihasilkan oleh

  sambungan p-n homojunction melalui persamaan (4.18) dan (4.23). . 34

  

Gambar 4. 9 Medan listrik terhadap lebar deplesi sel surya sambungan

heterojunction ..................................................................................... 35

Gambar 4.10 Konsentrasi pembawa muatan terhadap lebar deplesi sel surya ......... 36Gambar 4.11 Konsentrasi pembawa muatan terhadap deplesi sambungan

  heterojunction .................................................................................... 38

Gambar 4.12 Skema rangkaian sel surya multijunction .......................................... 38

  19

  3 Gambar 4.13 Rapat arus sel surya dengan N A dan N D = 10 /cm ............................ 40

  15

  3 Gambar 4.14 Rapat arus sel surya dengan N A dan N D = 10 /cm ........................... 41

  15

  3 Gambar 4.15 Rapat arus sel surya dengan N A dan N D = 10 /cm ............................ 41

Gambar 4.16 Grafik hubungan tegangan dengan rapat arus yang dihasilkan oleh

  15 -3

  sambungan n-p homojunction pada konsentrasi doping 10 cm melalui persamaan (4.32). .................................................................. 43

Gambar 4.17 Grafik hubungan tegangan dengan rapat arus yang dihasilkan oleh

  17 -3

  sambungan n-p homojunction pada konsentrasi doping 10 cm melalui persamaan (4.32). .................................................................. 43

Gambar 4.18 Grafik hubungan tegangan dengan rapat arus yang dihasilkan oleh

  19 -3

  sambungan n-p homojunction pada konsentrasi doping 10 cm melalui persamaan (4.32). .................................................................. 44

  

Gambar 4. 19 Grafik hubungan tebal sambungan n-p pada setiap material dengan

15 -3

17 -3 19 -3

  konsentrasi doping (a) 10 cm (b) 10 cm (c) 10 cm .............. 49

Gambar 4.20 Grafik hubungan tebal sambungan total pada setiap material dengan

  

15 -3

17 -3 19 -3

  konsentrasi doping (a) 10 cm (b) 10 cm (c) 10 cm .............. 50

  

DAFTAR TABEL

Tabel 2. 1 Daftar energi bandgap pada beberapa bahan semikonduktor .................. 10

Tabel 3.1 Parameter bandgap, mobilitas elektron dan hole (Schubert, 2015)......... 15Tabel 3.2 Life-time dan konstanta difusi muatan elektron dan muatan hole

  (Kroemer, 2004) ...................................................................................... 16

Tabel 3.3 Konsentrasi elektron pada pita valensi dan konduksi (Adachi, 2005)..... 16Tabel 3.4 Afinitas elektron, fungsi kerja dan permitivitas semikonduktor. ............ 16Tabel 4.1 Hasil perhitungan pembawa muatan intrinsik ......................................... 20Tabel 4.2 Parameter yang digunakan dalam diagram pita energi. ........................... 21Tabel 4.3 Panjang gelombang cut-off dari semikonduktor yang digunakan............ 26Tabel 4.4 Karakteristik bandgap dan parameter kisi kristal semikonduktor ........... 26Tabel 4.5 Densitas elektron teremisi termionik untuk rancangan sel surya. ........... 28Tabel 4.6 Massa efektif elektron dari semikonduktor paduan III-V yang digunakan

  31

  dalam rancangan sel surya dengan m =

  9 , 11 × 10 kg , adalah massa

  diam elektron ........................................................................................... 29

Tabel 4.7 Probabilitas penerobosan pada sambungan heterojunction dari rancangan

  sel surya. .................................................................................................. 29

Tabel 4.8 Probabilitas penerobosan pada sambungan homojunction dari rancangan

  sel surya. .................................................................................................. 30

Tabel 4.9 Efisiensi sel surya double, triple dan multi junction pada konsentrasi

  19

  3

  10 /cm ................................................................................................... 45

Tabel 4.10 Efisiensi sel surya double, triple dan multi junction pada konsentrasi

  17

  3

  10 /cm ................................................................................................... 45

Tabel 4.11 Efisiensi sel surya double, triple dan multi junction pada konsentrasi

  15

  3

  10 /cm ................................................................................................... 46

Tabel 4.12 Ketebalan sel surya double junction, triple junction dan multi junction

  15

  3

  untuk konsentrasi donor dan akseptor 10 /cm ...................................... 46

Tabel 4.13 Ketebalan sel surya double junction, triple junction dan multi junction

  17

  3

  untuk konsentrasi donor dan akseptor 10 /cm ...................................... 47

Tabel 4.14 Ketebalan sel surya double junction, triple junction dan multi junction

  19

  3

  untuk konsentrasi donor dan akseptor 10 /cm ...................................... 47

  

(Halaman ini sengaja dikosongkan)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Solar cells atau sel surya merupakan salah satu teknologi yang memanfaatkan

  cahaya matahari untuk dikonversikan ke energi listrik (Fthenakis, 2012). Sel surya dapat dibuat dari bahan anorganik (semikonduktor) dan bahan organik (Dye

  

Sensitized Solar Cells). Bahan sel surya yang kini berkembang adalah sel surya yang

  mengkonversikan energi matahari dengan bahan semikonduktor dengan prinsip fotovoltaik. Efek photovoltaic merupakan fenomena munculnya arus dan tegangan listrik akibat adanya kontak dua lapisan bahan semikonduktor yang dihubungkan di bawah paparan cahaya matahari. Bahan semikonduktor terdiri dari beragam jenis, salah satunya adalah compound crystal.

  Permasalahan yang terus dihadapi dalam penelitian mengenai sel surya sejak pertama kali ditemukan oleh Shockley dan Queisser pada tahun 1960 adalah bagaimana mendesain sel surya yang dapat menghasilkan nilai efisiensi yang maksimum (Landsberg & Markvart, 2012). Misalkan satu lapangan sepak bola yang tertutup oleh sel surya dapat menghasilkan daya sebesar 500 kW, sementara suatu negara memerlukan daya hingga 3 TW. Itu artinya dibutuhkan enam juta kali luas lapangan sepak bola. Hal tersebut tentu tidak efektif, mengingat jika luas permukaan yang dibutuhkan untuk membuat sel surya makin besar, itu berarti akan memerlukan lahan yang luas. Maka dari itu, digunakan metode lain yang dapat digunakan untuk meningkatkan konversi efisiensi sel surya tersebut, yaitu dengan membuat struktur banyak lapisan yang terdiri dari beberapa lapisan tipe- p dan tipe- n yang memungkinkan sel surya untuk menyerap radiasi sinar matahari dengan rentang spektrum panjang gelombang yang lebar. Metode tersebut dinamakan dengan

  

multijunction solar cells atau dapat disebut juga sebagai sel surya tandem yang dapat

  meningkatkan konsentrasi dari energi matahari tanpa harus memperbesar luas permukaannya (Yang & Pan, 2015).

  Memodelkan sel surya tentu sangatlah penting sebelum dilakukan fabrikasi untuk mengetahui nilai efisiensi sel surya yang dihasilkan pada desain tersebut baik terhadap dimensinya ataupun dengan panjang gelombang bahan penyusunnya. Salah satu cara untuk memodelkan sel surya adalah menggunakan metode analitis dengan cara menghubungkan parameter fisis yang dimiliki sel surya ke dalam suatu persamaan Maxwell dan persamaan difusi (Yang & Altermatt, 2008). Dengan mendapatkan nilai keluaran berupa penjalaran gelombang listrik di dalam medium serta dengan menghitung konsentrasi pembawa muatan yang terkandung dalam sel surya, akan didapatkan nilai arus yang dapat digunakan untuk mengukur besar efisiensi suatu sel surya (Sukhoivanov, 2009).

  Dalam penelitian ini,akan dilakukan analisa terhadap perilaku pembawa muatan dan rapat arus sel surya multijunction semikonduktor golongan III-V terhadap ketebalan susunan sel. Melalui penelitian ini, diharapkan akan dapat dihasilkan sel surya tandem golongan III-V berbahan semikonduktor dengan nilai konversi efisiensi yang maksimal.

  1.2 Rumusan Masalah

  Rumusan masalah yang digunakan dalam penelitian berdasarkan dengan latar belakang di atas adalah sebagai berikut:

  1. Bagaimana melakukan perhitungan analitis terhadap efisiensi sel surya dengan variasi konsentrasi donor dan akseptor dan bandgap bahan penyusunnya.

  2. Bagaimana perilaku difusi dan rapat arus sel surya multijunction semikonduktor golongan III-V terhadap ketebalan susunan sel.

  1.3 Tujuan Penelitian

  Tujuan dari penelitan ini adalah melakukan perhitungan analitis terkait dengan pencapaian efisiensi sel surya berbahan semikonduktor golongan III-V dengan variasi bandgap dan ketebalan. Kemudian setelah itu, dilakukan analisis perilaku difusi dan rapat arus sel surya multijunction semikonduktor golongan III-V terhadap ketebalan susunan sel.

  1.4 Lingkup Penelitian

  Seperti disebutkan sebelumnya, semikonduktor gabungan dari golongan III-V dipilih sebagai bahan dalam mendesain sel surya ini. Data keluaran yang didapat akan digunakan dalam penelitian ini untuk menghitung arus keluaran yang dihasilkan oleh sel surya. Perlu diketahui bahwa terdapat beberapa batasan yang diberlakukan pada penelitian ini. Beberapa hal di antaranya adalah:

1. Bahan yang digunakan dalam desain sel surya ini adalah semikonduktor III-V compound crystal dengan multijunction P-N.

  2. Konfigurasi sel surya yang digunakan adalah konfigurasi 2D

1.5 Manfaat Penelitian

  Manfaat dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan ilmu dalam bidang material fotonik serta dapat meningkatkan efisiensi konversi pada sel surya dengan mengubah parameter perilaku interaksi foton dari cahaya matahari terhadap material semikonduktor yang dibuat bervariasi pada golongan III-V.

  

(Halaman ini sengaja dikosongkan)

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sel Surya

  Sel surya pertama kali diamati oleh Edmond Bacquerel pada tahun 1839. Sel surya merupakan suatu alat atau devais yang mampu menangkap radiasi sinar matahari dan mengubahnya menjadi energi listrik dengan menggunakan prinsip fotovoltaik, yaitu peristiwa terciptanya muatan listrik di dalam bahan sebagai akibat penyerapan cahaya dari bahan tersebut. Dalam proses photovoltaik, jika elektron dalam beberapa bahan menyerap energi dari satu foton dan dengan demikian memiliki lebih banyak energi daripada fungsi kerja (energi ikat elektron) dari materi, itu dikeluarkan. Jika energi foton terlalu rendah, elektron tidak bisa keluar dari materi. Peningkatan intensitas sinar meningkatkan jumlah foton dalam berkas cahaya, dan dengan demikian meningkatkan jumlah elektron, tetapi tidak meningkatkan energi setiap elektron yang dimiliki. Energi dari elektron yang dipancarkan tidak tergantung pada intensitas cahaya yang masuk, tetapi hanya pada energi atau frekuensi foton individual. Ini adalah interaksi antara foton dan elektron terluar (Markvart & Castañer, 2012).

  Parameter penting yang berhubungan dengan sel surya adalah intensitas radiasinya, yaitu jumlah daya matahari yang masuk ke permukaan sel surya per satuan luas (Andreev, 2012). Radiasi yang dipancarkan oleh matahari pada temperatur 6000 K, memberikan distribusi spektrum seperti yang ditunjukkan oleh gambar 2.1.

Gambar 2.1 Spektrum yang dapat diserap oleh absorber dari radiasi matahari

  dengan masing- masing panjang gelombang (Andreev, 2012)

2.2 Sel Surya Multijunction

  Pada tahun 1960, William Shockley dan Hans J. Quisser menemukan bahwa terdapat batas efisiensi dari sel surya yang dihasilkan yang kemudian dikenal sebagai

  (Philipps, Dimroth, & Bett,

  teori SQ Limits seperti yang ditunjukkan oleh gambar 2.2

  2012) .

Gambar 2.2 Efisiensi maksimum sel surya berdasarkan SQ Limits (Philipps,

  Dimroth, & Bett, 2012) Teori SQ limit menjelaskan mengenai efisiensi maksimal yang dapat dicapai oleh sel surya dengan menggunakan single p-n junction. Dari teori tersebut, kemudian dikembangkan berbagai produksi sel surya untuk mematahkan teori SQ limit tersebut.

  Di dalam sel surya terdapat peristiwa foto-generasi dan rekombinasi radiatif serta generasi non-radiatif dan rekombinasi non-generatif. Foto-generasi merupakan peristiwa saat cahaya matahari datang mengenai permukaan sel surya dan mencipatakan elektron-hole. Sementara rekombinasi radiatif terjadi saat cahaya dipantulkan kembali dari sel surya. Generasi non-radiatif terjadi saat elektron bereksitasi dari lapisan valensi menuju lapisan konduksi sementara pada peristiwa rekombinasi non-radiatif, yang terjadi adalah sebaliknya. Pada peristiwa foto- generasi, lebih banyak jumlah konsentrasi elektron dan hole yang terdapat di sel surya daripada keadaan equilibrium.

Gambar 2.3 Elektron-hole dalam keadaan generasi-rekombinasi (Philipps et al.,

  2012) Dari gambar 2.3, diketahui bahwa rekombinasi radiatif tidak dapat dihilangkan karena rekombinasi radiatif merupakan reaksi dari foto-generasi. Rekombinasi radiatif memiliki persamaan (Philipps et al., 2012)

  (2.1) =

  Dari persamaan (2.1), rekombinasi radiatif semakin besar seiring dengan meningkatnya tegangan ( ). Hal tersebut dipengaruhi oleh tingkat Quasi-Fermi yang diawali oleh distribusi Fermi-Dirac. Distribusi Fermi-Dirac muncul pada keadaan equilibrium termodinamik dengan persamaan

  (2.2) !"# =

  

% &

$

  Dimana disebut dengan energi Fermi. Penerapan fungsi distribusi Fermi-Dirac "

  ' pada semikonduktor terdapat pada pengisian pita energi seperti gambar 2.4.

Gambar 2.4 Keadaan elektron dan hole saat terdapat energi fermi (Philipps et al.,

  2012) Pada gambar pertama, dimana E f > E disebut sebagai semikonduktor tipe-n. Sementara pada gambar kedua, dimana E < E disebut sebagai semikonduktor tipe-p.

  f

Gambar 2.5 Energi fermi yang terdapat di pita valensi dan konduksi (Philipps et

  al., 2012) Namun, jika masing- masing pita memiliki tingkat (Kuasi) Fermi, maka akan

  

  terjadi hubungan dengan ( )*+,- . ℎ,( ∝ ∆" merupakan energi gap. Sementara itu, rate rekombinasi radiatif berbanding lurus terhadap seberapa sering elektron menumbuk hole, sehingga rekombinasi radiatif α elektron x hole. Sehingga, jika sel surya dipasang di dalam rangkaian listrik, tegangannya akan menjadi lebih kecil dibanding dengan nilai QFL sehingga mempengaruhi performasi sel surya yang membuat sel surya memiliki batas nilai efisiensi maksimum.

  Ketika suatu kristal silikon di-doping dengan unsur golongan kelima, maka atom-atom arsen itu akan menempati ruang diantara atom-atom silikon yang mengakibatkan munculnya elektron bebas pada material campuran tersebut. Elektron bebas tersebut berasal dari kelebihan elektron yang dimiliki oleh arsen terhadap lingkungan sekitarnya, dalam hal ini adalah silikon. Semikonduktor jenis ini kemudian diberi nama semikonduktor tipe-n. Sebaliknya terjadi jika kristal silikon di-doping oleh unsur golongan ketiga, misalnya boron, maka kurangnya elektron valensi boron dibandingkan dengan silikon mengakibatkan munculnya hole yang bermuatan positif pada semikonduktor tersebut. Semikonduktor ini dinamakan semikonduktor tipe-p (Philipps et al., 2012).

  Adanya tambahan pembawa muatan tersebut mengakibatkan semikonduktor ini akan lebih banyak menghasilkan pembawa muatan ketika diberikan sejumlah energi tertentu, baik pada semikonduktor tipe-n maupun tipe-p. Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n disambungkan maka akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari tipe-n menuju tipe-p. Difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p. Batas tempat terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut dengan daerah deplesi. Adanya perbedaan muatan pada daerah deplesi akan mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi selanjutnya. Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift. Namun arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut (Hagfeldt, Cappel, Boschloo, & Sun, 2012).

  Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari maka akan terjadi pelepasan elektron dan hole pada semikonduktor tersebut. Lepasnya pembawa muatan tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi. Adanya kelebihan muatan ini akan mengakibatkan muatan ini bergerak karena adanya medan listrik pada daerah deplesi. Pada keadaan ini, arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift, yaitu arus yang dihasilkan karena kemunculan medan listrik. Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya sambungan p-n sebagai arus listrik (Green, 2012).

  Sinar matahari yang tersusun dari foton- foton dengan berbagai panjang gelombang akan mengenai absorber pada permukaan sel surya yang kemudian akan diteruskan menuju lapisan- lapisan dalam sel surya. Hanya foton dengan nilai energi tertentu yang akan bereksitasi. Jika energi pada foton mengenai lapisan bermuatan negative dalam sel surya dimana frekuensinya lebih besar daripada frekuensi ambang lapisan bermuatan negatif, maka elektron tersebut akan bereksitasi menuju lapisan bermuatan positif dibawahnya. Hal tersebut yang dapat menimbulkan aliran listrik. Energi yang dimiliki foton disebut juga sebagai energi bandgap.

  Bahan semikonduktor memiliki kemampuan untuk menyerap energi cahaya pada elektron dan hole-nya dan mengkonversikan menjadi arus listrik. Bahan semikonduktor dipilih berdasarkan bagaimana bahan tersebut dapat menyerap spektrum matahari. Pada Silikon dan Galium Arsenide, bahan- bahan tersebut memiliki rentang spektrum yang cukup lebar karena daya penyerapannya besar. Selain itu, GaAs juga memiliki massa pembawa muatan efektif yang kecil. Bahan semikonduktor GaAs dapat dikombinasikan dengan AlAs membentuk multijunction AlAs-InGaP. Untuk itu, kebanyakan sel surya adalah dengan menggunakan bahan semikonduktor (Andreev, 2012). Tabel 2.1 menunjukkan beberapa bahan semikonduktor dengan bandgap yang berbeda.

  Tabel 2. 1 Daftar energi bandgap pada beberapa bahan semikonduktor

  Material sistem A/B "

  2

  3

  (eV) "

  2

  4

  (eV) ∆ Ev (eV) ∆ Ev / ∆Eg

  

Si/GaP 1,12 2,25 +0,80 0,71

Si/GaAs 1,12 1,42 +0,05 0,17

Si/GaSb 1,12 0,72 -0,05 0,12

Ge/AlAs 0,67 2,15 +0,92 0,62

  Ge/GaAs 0,67 1,42 +0,25 - +0,65 0,33 – 0,87

Ge/InP 0,67 1,34 +0,64 0,95

AlAs/GaAs 2,15 1,42 -0,40 0,55

Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs 1,79 1,42 -0,12 0,32

AlSb/GaSb 1,61 0,72 -0,4 0,45

  

GaAs/InAs 1,42 0,36 -0,17 0,16

GaAs/ZnSe 1,42 2,70 +0,96 - +1,00 0,75 – 0,86

GaSb/InAs 0,72 0,36 +0,46 1,28

InP/CdS 1,34 2,42 +1,63 1,51

  Al 0.48 In 0.52 As/ Ga 0.47 In 0.53 As 1,45 0,75 -0,21 0,30 Ga 0.52 In 0.48 P/GaAs 1,88 1,42 -0,23 0,50 Al 0.48 In 0.52 As/InP 1,45 1,34 +1,19 1,73 Ga 0.47 In 0.53 As/InP 0,75 1,34 +0,40 0,68

  Agar efisiensi sel surya dapat ditingkatkan, maka foton yang berasal dari sinar matahari harus bisa diserap sebanyak-banyaknya dengan cara memperkecil harga rekombinasi dan refleksi serta memperbesar konduktivitas pada bahan sel surya. Tidak semua foton dapat terserap sempurna dan dikonversikan di dalam sel surya, hanya energi foton yang mendekati energi bandgap semikonduktor yang dapat digunakan secara efektif (Mart & Luque, 2004).

  Untuk dapat membuat foton terserap sebanyak- banyaknya, maka absorber harus memiliki energi bandgap dengan range yang lebar (Yang & Pan, 2015). Sel surya multijunction terdiri dari beberapa susunan P-N junction yang diurutkan berdasarkan energi bandgap (Eg) yang dimiliki, dimana lapisan paling atas memiliki nilai Eg terbesar yang akan menyerap radiasi matahari dengan daerah spektrum panjang gelombang yang rendah. Lapisan berikutnya memiliki nilai Eg yang lebih rendah daripada lapisan pertama dan akan menyerap radiasi matahari dengan daerah spektrum panjang gelombang yang lebih besar.

Gambar 2.6 Range spektrum yang diserap masing-masing lapisan sel (Kurtz,

  Olson, Geisz, Wanlass, & Mcmahon, 2006)

2.3 Efisiensi Sel Surya

  Hal yang paling menarik pada tiap penelitian mengenai sel surya adalah bagaimana cara untuk meningkatkan nilai efisiensi pada sel surya tersebut. Efisiensi adalah sifat terpenting yang mempengaruhi performa sebuah perangkat sel surya (Markvart, Mcevoy, Castañer, Martı, & Luque, 2011)

  Arus keluaran yang dihasilkan oleh sel surya dapat digunakan sebagai salah satu tolak ukur dalam menentukan efisiensi sel surya tersebut. Dalam hal ini berlaku hubungan

  6 < => 789 789 789

  (2.3) 5 = =

  6 < => :; :; :;

ABC ABC

  Sehingga, . Nilai didapat dari persamaan (2.4) 5 ≈ @ @

  (2.4) @ = D.E

  ABC

  Dimana D adalah rapat arus yang dihasilkan sel surya dan E merupakan luas dimensi sel. Ada beberapa hal yang mempengaruhi besar rapat arus sel surya, yaitu diantaranya adalah medan lisrik dan konsentrasi elektron dan hole yang terdapat di dalam sel (Mahakud, 2014)

2.3.1 Medan Listrik

  Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat walau tidak ada medium. Dari hal tersebut, James Clerk Maxwell mengemukakan 4 persamaan yang dikenal sebagai hukum Maxwell, yaitu

  !divergensi# ∇O = P !divergensi# ∇Q = 0

W4 WZ

  (2.5) !curl# ∇" = − !curl# ∇X = D +

WC WC

  Selain 4 persamaan tersebut, terdapat satu persamaan lagi yang juga merupakan bagian dari persamaan Maxwell dan digunakan dalam menentukan medan listrik yang dihasilkan oleh sel surya di dalam penelitian ini (Smith, 2007)

  `

  (2.6) ∇.[ ^_ − d " = 0

  \ !∇."# − ) ] \ ab c

  dimana E merupakan medan listrik (N/m), merupakan permitivtas relatif bahan, _ [

  \ \

  menyatakan permeabilitas relatif bahan dan merupakan konstanta penjalaran )

  A

  gelombang. Di dalam suatu bahan semikonduktor, semakin tinggi level energi dalam suatu sumber energi, semakin rendah panjang gelombang dari energi yang dihasilkan, dan semakin tinggi frekuensinya. Hal tersebut dapat dilihat dari intensitas cahaya yang dipancarkan kembali oleh sel surya, melalui persamaan:

  (2.7) = |"f.Qf| dengan P adalah daya yang dihasilkan pada sel surya. Sedangkan untuk mendapatkan intensitas cahaya yang dipancarkan kembali oleh sel surya, digunakan persamaan

  

6

  (2.8) @ =

  

3

  2 Dimana A adalah luas permukaan sel surya dan I adalah intensitas cahaya (watt/m ).

  19 Dalam keluaran 1 A, elektron yang terkandung adalah sebanyak 1,6 x 10 .

  Dengan menggunakan persamaan rapat arus (J) dan medan listrik (E), didapatkan (Philipps, Hermle, & Letay, 2008)

  (2.9) D = g"

  Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa arus dan medan listrik saling berbanding lurus. Yang itu artinya, makin besar arus yang dikeluarkan, maka medan listrik yang dihasilkan juga akan makin besar.

2.3.2 Konsentrasi hole dan elektron

  Selain medan listrik, konsentrasi elektron dan hole juga menjadi parameter dalam menentukan nilai arus keluaran sel surya melalui persamaan

  Z Z ;

  (2.10) D = h h j p exp ^− + d

  i > m m k n k n st

l ; o

  • 19

  Dimana: = muatan elektron (1,6 x 10

  C)

  • 3

3 Z

  dan = konsentrasi donor dan akseptor (cm ) h h

  • 3

  i >

  dan = konsentrasi pita konduksi dan valensi (cm ) h h

  2

  dan = konstanta difusi elektron dan hole (cm /s) O O

  k

  6

  k

6 Medan listrik (

  dan = lifetime elektron dan hole u u

  _) didapatkan dengan menurunkan persamaan (2.6). Sementara v dan

  • di dapatkan dari persamaan

  % & &%

  • = 2x- ] > v = 2xv ] i dengan adalah energi gap (Ev). Untuk dan masing-masing adalah

  dan (2.11) h h

  " h h

  2 > i

  3

  konsentrasi pada pita konduksi dan pita valensi (mol/m ) yang didapatkan dari persamaan

  z z y st y st

  ;

  i >

  dan (2.12) h = 2m^ d h = 2m^ d

  Sementara merupakan energi fermi dengan persamaan (Lundstrom, 2011) "

  ' zst k

  (2.13) " = + ln ^ d

  ' { k |

  Sedangkan untuk konsentrasi elektron dan hole di dapatkan dengan menyederhanakan persamaan (2.14) (2.14)

  ∇. !−O~ ∇•~ + € •~# = ~ Dalam hal ini, persamaan (2.14) disebut sebagai persamaan difusi dimana u merupakan kecepatan dan

  ~ sebagai produk yang merupakan fungsi dari konsentrasi.

2.4 Melakukan Perhitungan Sel Surya

  Setelah mendapatkan desain sel surya dan mendapatkan parameter- parameternya, kemudian digunakan persamaan maxwell seperti (2.6) dan persamaan difusi seperti pada (2.14) dengan menggunakan model 2D untuk mendapatkan hasilnya yang kemudian akan dianalisis. Dalam desain sel surya ini, digunakan 3 macam lapisan yang berbeda yang akan didesain, yaitu double junction (AlAs-InGaP), triple junction (AlAs-InGaP- GaSb) dan multi junction (AlAs-InGaP-GaSb-InAs). Pada desain sel surya ini, parameter yang dibuat bervariasi adalah bandgap sel surya dan dimensi dari sel tersebut, dimana terdapat 3 macam ketebalan yang akan dibuat bervariasi dalam penelitian ini yaitu ketebalan 40 µm; 60 µm dan 70 µm. Pemilihan variasi ini didasarkan karena pada umumnya, sel surya berukuran 1,52 x 0,86 x 0,045 mm (length x width x depth) dengan terdiri dari 60- 100 sel termasuk dengan lapisan anti refleksi pada bagian paling atas dan lapisan back metalization pada bagian paling bawah (Manzolini & Humphrey, 2013)

  Melalui perhitungan analitis ini, parameter- parameter yang akan dijabarkan dalam tabel 3.1, 3.2 dan 3.3 pada setiap dimensi sel surya akan dianalisis hasilnya.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN Bab ini membahas tentang alur penelitian analisis sel surya multijunction

  berbahan semikonduktor III-V. Dimulai dari studi literatur, permodelan sel surya

  

multi-junction dengan variasi bandgap dan dimensi sel surya dan analisis

  pengaruhnya terhadap arus dan efisiensi yang dihasilkan. Selain itu, alur permodelan dalam penelitian juga akan dibahas di dalam bab ini.

3.1 Menentukan Variabel Sel Surya

  Menentukan variabel-variabel bahan dilakukan untuk menunjang pencapaian tujuan dan pemecahan masalah dengan menentukan parameter- parameter bahan semikonduktor golongan III-V. Sebagai tahap awal dari penelitian sel surya bervariasi bandgap dan dimensi ini, menentukan parameter terhadap sel surya sangatlah penting. Parameter yang ditentukan adalah komposisi penyusun sel surya yaitu bahan compound crystal semikonduktor III-V dengan menggunakan metode P- N multijunction melalui desain 2D (Mahakud, 2014).